精品毕业论文--燃煤电厂减排co2方案设计

精品毕业论文--燃煤电厂减排co2方案设计内容摘要：

的计算完全忽略了塔内回流量．应用 Aspen Plus建立的模型难以达到物料平衡，因此提出了改进的减压塔模型， 将塔顶部分油返回至塔底渣油，可解决物料平衡的问题，建立了常减压模型。 运用 Aspen Plus模拟软件的灵敏度分析工具可以研究过程参数对常减压产品分布的影响程度，通过工况分析，可以在装置的约束条件范围内确定不同操作条件下的最优化生产方案。 用 Aspen Plus模拟软件对中国石化天津分公司 2． 5Mt／ a常减压装置的流程模拟得到了与实际生产流程较为一致的结果，其中减压系统的模拟需要补充模拟裂解气。 利用灵敏度分析，最优化工具结合约束模块，选取合适的自变量，基于Aspen Plus常减压蒸馏模型可以较方便快速的得到 最优化解决方案，供企业生产者参考。 在一定约束条件下提出了提高拔出率和增产柴油的优化方案，可为企业带来经济效益。 [14] 本课题的目的和意义 经济发展使得人类对化石燃料的需求量的不断增加，导致二氧化碳（ CO2）的排放量逐年提高，造成越来越严重的地球温升问题。 温室效应是由于以 CO2 为代表的温室气体的大量排放造成的，化石燃料燃烧产生的 CO2 占人类活动引起的CO2 排放量的 80%，其中电厂烟道气 CO2 排放量 30%，因此电厂烟道气脱 CO2 是削减温室效应的关键。 Aspen plus 是生产装置设计、稳态模拟和优化的大型 通用流程模拟系统。 它为用户提供了一套完整的单元操作模型，可对各种操作过程，从单个操作单元到整个工艺流程进行设计，模拟和优化。 本课题是用 Aspen Plus 对二氧化碳捕获技术工艺过程设计进行模拟。 设计出合理的二氧化碳捕获系统技术工艺过程，其中包括吸收塔和再生塔设计等，具有重要的实际意义。 第二章 CO2 捕获系统工艺流程 10 第二章 CO2捕获系统 工艺流程 Aspen plus 模拟步骤 物性选择原则 NRTL 物性方程 基于 NRTL、 NRTL NRTLHOC、 NRTLNTH、和 NRTLRK 等物性方程，用 NRTL模型 计算液体的活度系数。 该方程被推荐用于非强理想性化工系统和气液平衡或液液平衡装置，也可用于改进状态方程混合规则，例如 WongSandier 和 MHV2 等。 用于模拟电解质溶液的 ELECNRTL 物性方程 对许多工业系统的模拟都需要一种对电解质溶液进行严格处理的模拟方法。 我们可以应用 Aspen Plus 提供的特殊的电解质溶液的性能对特定的工业系统进行模拟。 这些工业系统主要包括： 酸性水溶液，即含溶解有 H2S， NH3， CO2， HCN 等的水系，有时需要一些附加的溶剂。 基于气体净化的水合胺溶液，即 含有 DGA， MEA， DEA， MDEA 的用于 H2S和 CO2 脱除的水溶液。 基于水合酸或以此为基础的溶液，即 HCI， HBr， H2SO4， H3PO4， HNO3，HF， NaOH， KOH 以及其它物质的水合物，有时需要附加溶剂。 盐溶液，即 NaCL， KCI， Na2SO4， CaSO4， CaCO3 的水溶液，有时需要参与反应。 电解质 NRTL 活性系数模型 —— ELECNRTL，是一种被 Aspen Plus 推荐的用于模拟电解质溶液的模型。 ELECNRTL 通过电解质 NRTL 活性系数模型计算液相物性数据。 气相物性数据 则通过 RedlichKwong 静态方程计算。 物性方程 RedlichKwong RedlichKwong 状态方程可以为以下性质方法计算热力学性质： NRTLRK、UNIFAC、 UNIFLL、 UNIQRK、 VANLRK 和 WILSRK。 它适用于从低压到中压（最大压力为 10atm）范围，且汽相非理想程度较低的系统。 对于非理想程度较高的系统，例如包含有机酸的系统推荐使用 HaydenO’ Connell 模型。 对于液相性质计算不建议使用这个方程。 第二章 CO2 捕获系统工艺流程 11 工艺模型的建立 ：在进行模 拟之前，必须根据相应的生产工艺确定合理的工艺流程。 主要包括工艺涉及的操作单元，各个单元的排列分布方式和各个单元要达到的生产目标。 ：全局规定主要对模拟过程和模拟计算结果的单位制进行选择，并设定设计的题目，用户名等参数。 ：根据模拟项目涉及的化学反应，物流组分，确定整个生产工艺中的化学组分。 如果在生产过程中，有电解质的解离和生成，需要将电解质涉及的离子也要进行确定。 ：物性方法是指能够正确模拟生产过程的化学热力学方法。 物性方法的选择是流程模拟计算结果准确程度的 关键， Aspen Plus 有强大的物性计算支持，但如何挑选、组合这些参数和计算模型，则需要物性计算的理论知识、 Aspen Plus 的使用经验和对分离过程的了解。 ：进料物流的属性包括物流组成，温度，压强，汽液比等基础数据，在此基础上 Aspen Plus 进行模拟计算。 ：根据生产工艺和产品的要求设定操作单元的基本参数。 在此基础上， Aspen Plus 就可以对整个生产工艺过程进行稳态模拟，由于单元模型的操作条件通常是根据以往的资料得到的，这些参数可以进一步优化。 操作单元的设定 操作单元参数的优劣直接影响到模拟结果， Aspen Plus 提供了对操作单元的操作参数（如温度，压强，流速等）进行优化的方法： Flowsheet Design Spec。 这种方法是通过设定操作参数的变化范围，由程序选择满足设定条件的参数。 在精馏塔模块内，还有 Design Spec 选项，通过它可以对精馏塔的内部操作参数进行优化，如回流比，采出率，热功率等参数。 第二章 CO2 捕获系统工艺流程 12 CO2捕获系统工艺流程的 设计要求 烟气工况及吸收剂浓度 烟气工况：流量 2020000kg/h， 温度 ℃， N2（ V） ％， O2（ V） ％，H2O（ V） 16％， CO2（ V） ％ MEA 浓度 5－ 50％ 设计要求 按一年有 3~4 个星期的检修期，实际的生产时间为 340 天。 要求 CO2捕获率达到 85－ 90％ CO2捕获系统工艺流程分析 CO2捕获系统工艺流程的选用 本课题是使用单乙醇胺（ MEA）吸收工艺捕获燃煤电厂烟道气中的二氧化碳。 单乙醇胺常温下呈无色透明状液体，工业上使用一段时间后呈棕黄色，分子式为 NH2CH2CH2OH，分子量为 ，因 其效率高 (当量值低 )，反应能力强 (伯胺 )，稳定性好，对酸性气体 (C0 H2S)有较高的溶解度和吸收速率，对低分压酸性气体的脱除特别有效。 它与二氧化碳的反应如下 : 该设计的工艺流程设计步骤如下： 确定原理，选择实验流程。 分析流程中的条件，选择反应装置。 进行流程的模拟与优化，获得各个装置的优化数据。 第二章 CO2 捕获系统工艺流程 13 图 MEA 吸收二氧化碳基本工艺流程图 分离系统分析 由图 所示， MEA 捕获烟气二氧化碳流程系统中包括两大主要设备 ——吸收塔和再生塔。 MEA 的水溶液和烟气中的二氧化碳在吸 收塔中发生反应生成可溶性的盐从而到达捕获二氧化碳的目的。 首先利用吸收塔分离出 CO2，即当烟道气进入吸收塔内，存在吸收塔底部的富 MEA 吸收烟道气中的 CO2。 然后富 MEA 物流在换热器中预热进入再生塔，在再生塔中分离出 CO2，贫 MEA 循环进入吸收塔。 循环系统分析 二氧化碳 (一种弱碱 )与 MEA(一种弱酸 )发生放热反应形成可溶性盐。 富 MEA 物流存在吸收塔底部。 富 MEA 物流在换热器中预热进入再生塔的同时贫 MEA 气流离开再生塔。 从 MEA 中解吸的二氧化碳，通过 再生塔顶部离开，贫 MEA 循环进入吸收塔。 系统采用循环回路，再生后的吸收剂返回吸收塔循环使用，大大节省了吸收剂的用量。 其循环结构如下图 ： 图 循环系统示意图 第二章 CO2 捕获系统工艺流程 14 流程叙述 图 MEA 捕获二氧化碳的工艺流程图 如图 所示，含有二氧化碳的烟气首先进入闪蒸塔去除水蒸气，然后经过压缩机与冷却器进入吸收塔，在吸收塔中 和 MEA 以及烟气物流逆流的 MEA 水溶液接触，二氧化碳和 MEA 发生化学反应形成可溶性盐。 被处理过的烟气从吸收塔的顶部经过闪蒸塔后排向大气，富 MEA 物流存在吸收塔底部，富 MEA 物流进入再 生塔的同时贫 MEA离开再生塔。 再生塔内过量的热量使反应逆向进行。 从富 MEA 物流中解析出来的二氧化碳通过再生塔顶部离开，然后进过闪蒸排向大气。 第三章 CO2 捕获系统工艺的设计和优化 15 第三章 CO2捕获系统工艺的设计和优化 物性选择 物性计算准确与否是流程模拟成功的关键， Aspen Plus 软件有强大的物性支持，它包含有很强大的纯组份物性数据库，提供了几十种汽－液或液－汽相平衡计算方法和多种传递性质方法供用户选择，对于各种物性体系均有相应的计算模型用来计算流体的传热传质特性。 CO2捕获系统工艺流程组分的确定 基本假设和简化 用 Aspen Plus 模拟 MEA 捕获 CO2的过程中，由于燃煤电厂烟气成分复杂，在吸收塔和再生塔中发生多种形式的复杂化学反应。 本文做出了一些简化和基本假设： ①假设进入 MEA 捕获 CO2系统的烟气的主要成分包括 CO O N H2O。 烟气中不含 NOx、 SO2以及固体颗粒污染物； ②由于添加剂的作用，吸收剂中 MEA 不和烟气的 O2发生反应； ③模拟过程不考虑腐蚀作用的影响； ④吸收剂中 MEA 的质量分数为 30%（ MEA 的质量比 H2O 的质量）； ⑤为了简化模拟过程， Aspen Plus 模拟流程中不包括干燥、压缩和运输 的过程。 组分的确定 烟气中的组分包括： CO O N2和 H2O。 MEA： NH2CH2CH2OH 热力学数据给出 热力学方程的选择 根据分离过程的特点，本设计采用常温常压下，适用于水相的模型： NRTL第三章 CO2 捕获系统工艺的设计和优化 16 活度系数模型，该模型能准确模拟非理想溶液的 VLE和 LLE性质。 数据如表 31所示： 表 ： NRTL 活度系数方程中的二元交互参数 i BENZE01 BENZE01 CHLOR01 j CHLOR01 WATER WATER Temperature units F F F Source VLERK LLEASPEN LLEASPEN aij aji bij bji cij dij 0 0 0 eij 0 0 eji 0 0 流程的设计与优化 运用通用软件 aspen plus，输入 给定的设计条件及初值，进行严格计算。 调整理论级数及回流比，核算塔顶采出率 D 是否符合物料衡算平衡关系，使塔满足分离要求，作为分离计算的初步结果。 在初步计算结果基础上，对主要设计参数及操作条件采用变量轮换法进行灵敏度分析，从而选择适宜的操作条件及设计参数。 所谓某参数灵敏度分析，就是搜索单变量对某一目标函数值的影响关系，从而确定该变量的适宜范围。 通常收敛目标不会只有一个，可能有多个目标。 而收敛难度也不会在一个水平上。 显然，第三章 CO2 捕获系统工艺的设计和优化 17 在灵敏度分析中搜索主要参数与关键目标函数的关系，可是问题得到简化。 吸收塔的 设计 吸收塔 T101 的参数设定 在本设计中，使用吸收塔 T101 的计算模块对二氧化碳进行吸收，使塔顶排出的气体中二氧化碳的含量低于一定要求。 在此目标下对此塔进行模拟优化，寻找符合要求的最佳操作条件。 Aspen Plus 提供 Radfrac 模块模拟吸附塔，其中要设定的参数包括理论塔板数吸收剂的用量和塔板数。 根据相关资料，对吸收塔 T101 的初始设定参数 如表 所示： 表 吸收塔 T101 的初始参数表 塔板数 8 吸收剂用量 进料板位置 1 一、 吸收剂的用量对 尾气中 CO2 含量的影响 106 106 106 106 106 1035 1035 1035 1035 尾气CO2含量吸收剂用量 吸收剂用量 尾气中C O 2 的含量 图 吸收剂的用量对尾气中二氧化碳含量的影响 如图 所示，吸收剂的用量为横坐标 x，尾气二氧化碳的含量为纵坐标 y；由图中可以看出，随着吸收剂用量的增加，尾气中二氧化碳的含量逐渐减少。 第三章 CO2 捕获系统工艺的设计和优化 18 二、吸收塔塔板数对尾气中二氧化碳含量的影响 图 吸收塔塔板数对尾气中二氧化碳含量的影响 如图 所示，吸收塔塔板数为横坐标 x，尾气中二氧化碳的含量为纵坐标y；由图中可以看出，随着吸收塔塔板数的不断增加，尾气中二氧化碳的含量逐渐 减少。 根据此图，选择吸收塔。